環(huán)境化學研究進展

1、環(huán)境化學研究進展張松林張松林因環(huán)境問題復雜性而產(chǎn)生的學科交叉特性，既是環(huán)境化學的特色，又是學科生長點。2010年以來，新型污染物和納米材料的污染問題以及化學污染導致的健康影響日益引起關(guān)注，環(huán)境化學的研究范圍亦隨著實際問題的出現(xiàn)而延展，新型污染物的種類持續(xù)上升。繼2010年首次在氟化工廠環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并報道了新型持久性有機污染物全氟碘烷的存在，2011年又基于效應分析成功甄別了一種具有神經(jīng)毒性的新型溴代污染物，標志著我國在污染物研究方面已從全面跟蹤國外研究到部分引領(lǐng)方向轉(zhuǎn)化。繼青藏高原環(huán)境介質(zhì)污染物歸趨行為研究之后的極地環(huán)境科學考察，將視野著眼于全球尺度環(huán)境問題的解決。得益于上海光源等一批大科學裝置

2、的建成，污染物環(huán)境界面行為探索已達到分子水平。在納米材料廣泛應用所引發(fā)的納米污染層面，其形成、轉(zhuǎn)化和環(huán)境歸趨行為的研究亦取得突破。污染生態(tài)化學研究方面，借助于先進的表面等離子體共振和理論模擬等先進手段，在污染物與生物大分子相互作用探索和聯(lián)合毒性機制研究上取得了顯著進步，環(huán)境與健康開始受到廣泛關(guān)注。這些成果極大豐富了學科內(nèi)涵，為學科今后的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。環(huán)境化學物質(zhì)、化學品和化學污染物的研究，在生態(tài)毒理研究的支持下已經(jīng)發(fā)展到分子水平，包括化學物質(zhì)活性和毒性的預測。目前，國際環(huán)境化學領(lǐng)域已經(jīng)涉及化學品的“源”、釋放表征和遷移歸宿深入研究，而對化學品的安全評測也從單一化學物質(zhì)發(fā)展到復雜化學物質(zhì)且

3、進入生態(tài)系統(tǒng)層面。人類活動產(chǎn)生的黑碳、光化學反應形成的臭氧等也是影響全球變暖的重要因素；“廢水”也是一種資源；食品風險評估和公眾對食品安全誤解的癥結(jié)；利用耦合多介質(zhì)過程的大氣傳輸模型、表征源匯關(guān)系的概率密度函數(shù)等，分析我國多環(huán)芳烴的排放、遷移與暴露風險；光化學降解技術(shù)、毒理與健康效應等。有關(guān)大氣氣溶膠與健康及氣候等相關(guān)性的 研 究 更 加 深 入。隨 著 先 進 的 氣 溶 膠 飛 行 時 間 質(zhì) 譜(ATOFMS)、 加速器質(zhì)譜(AMS)等在線測量技術(shù)在大氣科學研究中的應用日益普遍，大氣環(huán)境研究的新成果不斷涌現(xiàn)。土壤環(huán)境化學的研究注重物理-化學-生物過程的耦合、土壤-水-生物的耦合、養(yǎng)分-重

4、金屬-有機污染物的耦合機制研究；而同步輻射分析技術(shù)、雙光子激發(fā)顯微鏡(TPEM)觀測技術(shù)的應用，將土壤環(huán)境化學研究推向了更高的水平。水處理技術(shù)研究以有機廢水治理為主， 從單一的污染物治理向資源化綜合利用發(fā)展。新型污染物的毒性效應、污染物代謝產(chǎn)物的毒性效應及納米材料的毒性效應研究成為關(guān)注的熱點。新技術(shù)在環(huán)境分析中的應用極大拓展了環(huán)境分析的研究領(lǐng)域，如將納米材料應用于樣品富集、微區(qū)技術(shù)/質(zhì)譜應用于單顆粒物成分分析等；此外，發(fā)展有機磷阻燃劑、全氟化合物、納米顆粒等新型污染物的監(jiān)測技術(shù)及開發(fā)大分子物質(zhì)如 DNA 加合物、 微囊藻毒素，有機污染物與蛋白結(jié)合物等分析方法，為環(huán)境科學研究的深入發(fā)展提供了有力

5、的手段?！碍h(huán)境化學環(huán)境化學: 三十而立三十而立, 四十不惑四十不惑”我國的環(huán)境化學經(jīng)歷了 1970 年以前的孕育階段、 70 年代的形成階段、1980 年以后的發(fā)展階段，正在迎接成熟階段的到來。在過去的 40 年中，我國環(huán)境科學工作者在污染物的分析表征、遷移轉(zhuǎn)化、毒性效應和控制技術(shù)方面開展了大量的工作，取得了顯著的成績。但是，環(huán)境化學涉及的研究內(nèi)涵非常豐富，國家和社會需求也十分迫切，未來發(fā)展任重而道遠。我國環(huán)境化學工作者一方面要通過相關(guān)研究解決國家重大需求，為國家目標服務；另一方面，要通過原創(chuàng)性工作提高環(huán)境化學研究的國際影響力。環(huán)境化學技術(shù)新進展環(huán)境化學技術(shù)新進展環(huán)境化學由于其廣泛的學科交叉性

6、，吸收了許多其他學科的方法和技術(shù)。近幾年，環(huán)境分析化學、大氣環(huán)境化學、 水體和土壤環(huán)境化學、生態(tài)化學方面一些方法技術(shù)的新進展，特別是電化學方法、光譜分析法、色譜技術(shù)、光催化技術(shù)、統(tǒng)計學方法等新技術(shù)、方法在環(huán)境化學上的應用。目前，化學物質(zhì)引起的環(huán)境污染已占 80 % 90 %，這些化學污染物質(zhì)的規(guī)律越來越成為人們所關(guān)注的焦點。環(huán)境化學主要研究化學物質(zhì)在環(huán)境中的存在、 轉(zhuǎn)化、 行為和效應及其控制化學的原理和方法。環(huán)境化學的研究主要包括環(huán)境分析化學，大氣、 水體和土壤環(huán)境化學，污染生態(tài)化學，污染控制化學等 4 部分內(nèi)容。近年來，環(huán)境化學在縱深發(fā)展中與生物學、 生態(tài)學、 毒理學等相關(guān)學科密切相關(guān)。有關(guān)

7、化學分析、監(jiān)測、表征新方法、激光、生物、智能等新技術(shù)的應用，也推動著環(huán)境化學研究水平的提高。因此，相關(guān)學科新技術(shù)和分析儀器的創(chuàng)新和發(fā)展，同樣也促進了環(huán)境化學新技術(shù)的發(fā)展。1 環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學是環(huán)境化學的一個組成部分。新技術(shù)的應用促進了環(huán)境分析化學研究的發(fā)展，如在氣溶膠的化學表征分析中采用的激光微探針質(zhì)譜、 質(zhì)子彈性散射、 激光吸收光譜、 掃描質(zhì)子微探針、 自動化電子束分析法等。 1 環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學技術(shù)20 世紀 90 年代之后，環(huán)境生態(tài)破壞和健康問題不斷出現(xiàn)，無論資源環(huán)境管理和修復，還是污染控制和防治的深化以及環(huán)境科學各種研究開展的需要，都促進了各種新

8、的方法、 技術(shù)和儀器的發(fā)展和應用，大大推動了環(huán)境分析化學的發(fā)展。 1 環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學技術(shù)Stawarz 等 采用伏安法和原子吸收光譜法研究了波蘭克拉科夫的哺乳期婦女年齡與母乳中鎘、 鉛、 鋅、 銅、 鈣和鎂元素的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，年齡最大的婦女組(3637 歲)母乳中隔和鉛元素含量最高，鋅元素的含量隨年齡組的增大而降低，銅元素的含量卻隨年齡組的增大而升高；年齡在 26 27 歲的婦女組母乳中鈣的含量最高。結(jié)果表明，婦女年齡的不同會導致母乳中各元素含量的不同，且隨著年齡的增大，母乳中對嬰兒有害的鎘和鉛元素含量也明顯升高。1 環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學技術(shù)目前環(huán)境分析化學的發(fā)展重心轉(zhuǎn)

9、向環(huán)境中微量、 痕量有害化合物的分析，如飲用水、 室內(nèi)空氣中劇毒化學物質(zhì)，有機氮和有機磷、 農(nóng)藥及除草劑；因工業(yè)廢氣及固體廢棄物分解、揮發(fā)、 燃燒等產(chǎn)生的芳烴、 揮發(fā)烴、 酯、 醛等有機組分 。這些微量、痕量物質(zhì)的分析，要求儀器靈敏度高、檢測限低、準確性好，可以原位、 實時測定。比如便攜式色譜在現(xiàn)場環(huán)境分析中得到應用 。色譜柱的發(fā)展也日新月異。法國研制的一種含有約 900 根長 1m、內(nèi)徑 40 m 的毛細管的平行多毛細管柱系統(tǒng)，成功地分離和測定了多種有機錫化合物，并使分離時間由常規(guī)毛細管柱的 5 10 min 縮短到 30 s 。1 環(huán)境分析化學技術(shù)環(huán)境分析化學技術(shù)由于雜多酸化合物獨特的結(jié)構(gòu)

10、和優(yōu)異的性能，加之分光光度法的不斷發(fā)展，雜多酸分光光度法作為一種分析技術(shù)，因具有精度高、操作簡便和分析速度快等優(yōu)點，在環(huán)境分析領(lǐng)域也得到了迅速發(fā)展。已發(fā)展出來的方法包括鉬藍法、 雜多酸 - 堿性染料法、 熒光分光光度法、 流動注射分光光度法、 原子吸收分光光度法、 激光熱透鏡分光光度法等，在痕量元素P、As、Si和V 等的測定中有廣泛應用。2 大氣環(huán)境化學技術(shù)大氣環(huán)境化學技術(shù)當今，臭氧層破壞、酸雨和溫室效應已成為三大全球性的大氣環(huán)境問題。1995 年諾貝爾化學獎授予了3 位環(huán)境化學家Crutzen、Rowland 和Molina。他們首次提出了平流層臭氧破壞的化學機制，促使了1985 年南極“

11、臭氧洞”的發(fā)現(xiàn)，進而推動了1989 年蒙特利爾議定書的簽訂。目前，在臭氧層保護方面還需要很長的路要走，北極和青藏高原臭氧層變薄就說明氯氟烴類物質(zhì)的控制及替代物問題遠未解決。2 大氣環(huán)境化學技術(shù)大氣環(huán)境化學技術(shù)SO2 是我國酸雨的主要成因之一，低質(zhì)量煤的燃燒會產(chǎn)生大量的SO2，預計到2020 年我國SO2的排放量會達到3016Mt/a。Tonegawa等研究了中國蘭州地區(qū)黃沙與SO2之間的非均相反應。他們用自制的圓柱形流動反應器使得SO2能以分子擴散的形式在黃沙顆粒上沉降，發(fā)現(xiàn)SO2與黃沙很容易發(fā)生反應，特別是在濕潤條件下。此研究預示了黃沙與SO2之間的動力學行為，同時也解釋了為什么高SO2排放

12、的中國西北地區(qū)卻很少有酸雨的報道。2 大氣環(huán)境化學技術(shù)大氣環(huán)境化學技術(shù)CO2是溫室氣體的最主要成分。自工業(yè)化時期以來，人類通過燃燒化石燃料向大氣中排放的CO2占全球CO2排放總量的95 %以上，是引起大氣增溫的主要原因。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，目前，中國的溫室氣體排放量已經(jīng)超過美國，成為全球溫室氣體排放第一大戶。張雷用多元化指數(shù)的方法分析了經(jīng)濟發(fā)展對碳排放的影響，認為經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的多元化和能源消費結(jié)構(gòu)的多元化會導致國家從高碳燃料為主向低碳為主的轉(zhuǎn)變。影響經(jīng)濟增長和碳排放的因素非常復雜，但是調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高能源利用效率和轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式等可在一定程度上減少碳排放量的增加。2 大氣環(huán)境化學技術(shù)大氣環(huán)境化學技

13、術(shù)近年來，作為大氣中重要角色之一的羰基化合物也引起了科學家們的注意。通常羰基化合物是以不完全燃燒產(chǎn)通常羰基化合物是以不完全燃燒產(chǎn)物排放到大氣當中。物排放到大氣當中。2007 年，Ortiz 等報道了日本Saitama 地區(qū)的大氣中雙功能羰基化合物的研究情況。實驗采用低容量擴散管和包過濾系統(tǒng)采集樣品，并用O-(2,3,4,5,6-五氟苯甲基) 羥胺鹽酸鹽(PFBHA) 作為羰基吸附劑。研究顯示，雙功能羰基化合物是農(nóng)村和郊區(qū)大氣氣溶膠中的重要組成部分，而并非城市所產(chǎn)生。3 水體和土壤環(huán)境化學技術(shù)水體和土壤環(huán)境化學技術(shù)水是世界上分布最廣的資源之一，但是淡水匱乏和水污染問題已經(jīng)構(gòu)成了全球性的難題。近年

14、來，磷和砷等無機污染物、有機物轉(zhuǎn)化過程、水體界面化學等水環(huán)境化學方面的研究已成為熱點。Dong 等通過紫外-可見光譜、熒光發(fā)射光譜以及3-D熒光光譜技術(shù)研究了自然水體中砷-水合氧化鐵(hydrous ferric oxide，HFO)體系、砷-溶解性有機質(zhì)(dissolved organic matter, DOM) 體系、砷- DOM- HFO體系中砷形態(tài)及濃度的變化。研究表明，DOM與砷在HFO表面存在競爭吸附，DOM和HFO都能使砷的形態(tài)和濃度發(fā)生變化，且DOM能夠使砷在HFO表面的吸附平衡減緩，吸附量減少。該項研究為水體中砷、有機質(zhì)的污染控制提供了一個新的理論依據(jù)。3 水體和土壤環(huán)境化

15、學技術(shù)水體和土壤環(huán)境化學技術(shù)目前，土壤環(huán)境化學研究主要集中在土壤污染物的降解、污染物在土壤固液界面的相互作用和土壤金屬元素等方面。隨著農(nóng)藥、化肥等污染物通過不同途徑進入土壤系統(tǒng)，脆弱的土壤系統(tǒng)受到破壞，因此農(nóng)藥等污染物的研究越來越受到重視。3 水體和土壤環(huán)境化學技術(shù)水體和土壤環(huán)境化學技術(shù)Ramezani 等利用光催化技術(shù)研究了土壤表面上腐殖酸催化降解3種咪唑啉酮類除草劑(咪唑煙酸、咪草煙、滅草喹)。實驗表明，光催化降解是這些除草劑降解的重要途徑之一，但是有機懸浮物的存在卻會起阻礙作用。而作為廣泛存在于自然界中的天然高分子有機物腐殖酸，除了具備光催化性能，對土壤中重金屬也有優(yōu)良的吸附能力。4 生

16、態(tài)化學技術(shù)生態(tài)化學技術(shù)生態(tài)化學主要研究化學污染物引起生態(tài)效應的化學原理、過程和機制，以及環(huán)境中化學物質(zhì)對健康的影響，綜合了化學、生物學、毒理學、醫(yī)學等學科特點。目前，環(huán)境污染物在動植物體內(nèi)的蓄積導致的生殖或生長問題已成為了環(huán)境科研工作者所關(guān)注的焦點之一，包括人類的睪丸癌、乳腺癌，還有精子數(shù)量下降，形態(tài)及生理改變，野生動物生殖能力的逆向改變等等。4 生態(tài)化學技術(shù)生態(tài)化學技術(shù)Wilson 等采用王水提取法和ICP-OES（電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀）分析技術(shù)研究了廢棄礦場附近的重金屬元素在植物生長過程中的分布和蓄積效應。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬在植物組織中的濃度甚至可以超出周圍土壤中的濃度，但是植物種子中卻沒有重金屬的蓄積。這保證了這些重金屬污染地區(qū)的植物能夠長期生存下去。4 生態(tài)化學技術(shù)生態(tài)化學技術(shù)Massanyi和Lukac等利用原子吸收光譜法考察了牛、羊、豬、馬和狐貍的精液中重金屬元素銅、鋅、鐵、鎘、鉛和鎳的含量，并研究了這些元素與精液質(zhì)量的相關(guān)性。發(fā)現(xiàn)所有這些重金屬元素都會抑制含有巰基的酶，影響核酸的功能和破壞氧化磷酸化的途徑，且公豬精液中高含量的鋅元素可能是豬精子的保護性因素。他們還研究了重